近距離煤層殘留煤柱下回采巷道變形破壞研究

王智欣，高林君，周 博，胡 偉

(陜西德源府谷能源有限公司三道溝煤礦，陜西 府谷 719400)

0 引言

受開采條件限制，在采區邊界及集中大巷兩側不可避免會留設不規則形狀的煤柱，有時煤柱尺寸可達10～200 m[1-3]。近距離煤層開采時，受斷層、煤厚變化等因素影響，上下煤層工作面會出現交叉布置，導致下煤層工作面或回采巷道處于上煤層殘留煤柱下方。由于煤層間距較小，受上煤層殘留煤柱傳遞的集中應力影響，勢必給下煤層工作面安全生產及巷道支護帶來困難[4-7]。

曹寶良等[8]總結分析了開灤礦區在上煤層殘留煤柱下方3個綜采面的煤礦觀測資料，得出殘留煤柱對下部煤層影響范圍及最大支承壓力點等。王震等[9]針對近距離煤層殘留煤柱下方煤巷支護問題，提出對上部殘留煤柱爆破卸壓、避開集中應力區及加強巷道支護等3種解決方案。康繼忠等[10]采用數值計算的方法揭示近距離煤層殘留煤柱下巷道圍巖變形影響規律。劉洪林等[11]實地監測近距離殘留煤柱下巷道破壞特征，并提出了基于破碎圍巖注漿和高強度錨桿支護的巷道修復技術。

在西部礦區某礦，2中煤層工作面部分回采巷道處于2上煤層殘留的不規則煤柱下部。下煤層開采過程中，頂板上部殘留煤柱尺寸減小，致使下煤層區段煤柱及回采巷道壓力增加，回采巷道出現嚴重變形破壞。文中通過現場實測等方法，探究下煤層區段煤柱應力分布與發展過程、頂板及兩幫收斂變形過程和巷道破壞過程，闡述近距離煤層不規則殘留煤柱下回采巷道礦壓顯現規律，為今后類似開采條件下的巷道支護設計提供借鑒與理論依據。

1 工程概況

西部礦區某礦2上煤層已回采完畢，現回采2中煤層。2上煤層均厚3.5 m，傾角0°～3°；2中煤層均厚3.3 m，傾角0°～5°。2中與2上煤層之間為平均厚度5.0 m的砂質泥巖。2上煤層開采過程中形成不規則形狀的殘留煤柱，2中煤層20314工作面回采時部分巷道處于上部殘留煤柱下方。殘留煤柱賦存情況及上下煤層工作面空間關系如圖1所示，工作面巖層柱狀如圖2所示。

圖1 殘留煤柱及上下煤層工作面巷道布置

圖2 巖層柱狀

20314 輔運巷沿著煤層頂板掘進，寬5.2 m，高3.3 m。巷道頂板支護使用錨桿、錨索、鋼帶與菱形鉛絲網，并對頂板噴漿50 mm。兩幫支護使用螺紋鋼錨桿、圓鋼鋼帶與菱形鉛絲網。殘留煤柱下部20314輔運巷內支設單體液壓支柱支護頂板，巷道每排布置4根單體液壓支柱，排距1 000 mm。

2 監測設備布置

20314工作面回采前，在不規則殘留煤柱下部20314輔運巷內布置5#測站、6#測站。為獲得完整的數據，測站監測內容包括：①頂板巖層位移監測；②巷道圍巖表面位移監測；③巷道區段煤柱側煤體垂直應力監測，如圖3所示。

圖3 20314輔運巷巷道監測設備安裝

2.1 頂板煤巖體深部位移監測

在巷道頂板圍巖內部布置鉆孔，鉆孔內安設有5個錨固點的多點位移計，錨固點的深度分別為1 m、2 m、4 m、7 m及10 m，以此方法記錄巷道頂板深部巖層位移數據。

2.2 巷道圍巖表面位移監測

在測站位置，巷道頂板及兩幫分別布置測點，采用激光測槍測量測點之間的距離變化量，通過計算獲得巷道頂底板下沉量和兩幫移近量。

2.3 巷道幫部煤體應力監測

在巷道區段煤柱幫部煤體內部布置鉆孔，鉆孔內安設液壓枕，記錄幫部煤體的垂直應力變化情況。在每組測站位置，9個鉆孔應力計打設到區段煤柱的煤體內，相鄰應力計間距為0.8 m。

3 巷道破壞過程

根據現場觀測結果，20314工作面回采至20112工作面采空區下部時，研究區域內(不規則殘留煤柱下部的20314輔運巷)回采巷道圍巖變形較大：6#測站附近的巷道首先出現圍巖大變形，5#測站附近的巷道滯后出現圍巖大變形，巷道的收斂變形滯后于20314工作面推采，但研究區域內頂底板最終全部閉合，兩幫破壞嚴重。

考慮到5#測站監測數據不完整，以6#測站處巷道圍巖變形為例說明巷道破壞過程。20314工作面推采過殘留煤柱S1時20314輔運巷破壞過程經歷3個階段，如圖4所示。

(圖中負數表示6#觀測位置在工作面前部，正數表示觀測位置在工作面后部)

3.1 第1階段

如圖5所示，多點位移計監測結果顯示頂板上方2 m范圍內的基點(M1、M2)發生離層，離層量分別為218 mm、163 mm，頂板離層范圍小于2.0 m。如圖6所示，當20314工作面位于6#測站后部30～74 m之間時，區段煤柱側煤幫最大水平位移為0.42 m。頂底板收斂變形量為0.29 m，其中底板變形量占82.3%。圖7為20314工作面回采引起的區段煤柱垂直應力變化過程。20314工作面在6#測站后部16 m時，煤柱處垂直應力曲線呈馬鞍狀。區段煤柱一側的垂直應力峰值為14.3 MPa，煤柱另一側的垂直應力峰值為12.9 MPa。

圖5 20314輔運巷6#測站巷道頂板垂直位移

圖6 工作面推采時巷道6#測站位置收斂變形(水平坐標中負數代表工作面在測站后部)

圖7 20314工作面推進至相對6#測站不同位置時區段煤柱垂直應力分布

此階段上煤層殘留煤柱受采動影響較少，整體承受的載荷不斷增加，20314輔運巷兩側煤體(煤柱)出現應力集中的現象。

3.2 第2階段

如圖5顯示，多點位移計記錄顯示多點位移計數據增長較大，其中M4基點數據增加至183 mm。說明第2階段頂板離層已經發展到頂板深部4～7 m。如圖6所示，20314工作面推進至相對6#測站-10～30 m時，煤柱側幫部最大水平位移0.71 m，巷道水平方向收斂變形達19.6%；巷道垂直方向收斂變形大幅度增加至0.91 m，其中底鼓引起的變形達到0.55 m。20314工作面位于6#測站前部22 m時的垂直應力變化曲線，如圖7所示。區段煤柱處垂直應力峰值突然增加到25.5 MPa，平均垂直應力由8.7 MPa增加至14.2 MPa。區段煤柱垂直應力增加暗示著額外的載荷已經轉移到煤柱上方。

上述現象表明，隨著20314工作面推采，上煤層S1殘留煤柱繼續減少，承受的載荷繼續增大。上煤層殘留煤柱將增大的載荷傳遞至20314輔運巷圍巖，20314輔運巷圍巖承受的載荷增大，這是20314輔運巷兩幫煤體破壞的主要原因。

3.3 第3階段

如圖6所示，在此階段，當20314工作面推進至超前6#測站30 m時，20314輔運巷水平方向收斂變形快速增加；當20314工作面推進至超前6#測站35 m時，20314輔運巷頂板下沉和底鼓快速增加。巷道垂直方向最大收斂變形量達到2.6 m(其中頂板下沉占到53.85%)，巷道水平方向收斂變形量大于3.04 m(其中區段煤柱側煤幫變形達到67.6%)。此階段多點位移計已損壞，所以頂板巖層運動數據缺失。

如圖7所示，20314工作面位于6#測站前部58 m時，形成雙峰狀壓力曲線。煤柱一側的垂直應力峰值降低至7.7 MPa，另外一側的垂直應力峰值降低至11.6 MPa。平均垂直應力由14.2 MPa降低至6.2 MPa。垂直應力的變化說明區段煤柱6#測站位置兩側的塑性破壞區域已經深入到煤柱中部，整個煤柱已完全失效。相比第2階段，20314輔運巷嚴重的巷道變形說明此時區段煤柱處在應變軟化階段[12]。上覆頂板巖層垂直集中應力是20314輔運巷區段煤柱側幫部煤體被大面積擠出的主要原因。

巷道整體變形破壞情況如圖4所示，此時巷道6#測站處的單體液壓支柱幾乎全部失效。20314輔運巷發生比較明顯的大變形，尤其是巷道頂板區段煤柱側較大的下沉量，預示著區段煤柱已經屈服失效，區段煤柱處于殘余強度階段。

上述現象表明，隨著20314工作面的推進，上煤層S1殘留煤柱繼續減少直至最終成為孤立的三角形煤柱。而三角形煤柱下部的下煤層區段煤柱首先屈服失穩破壞，造成6#測站處頂板呈現傾斜狀。

4 結論

(1)20314輔運巷的收斂變形滯后于20314工作面推采，6#測站附近的巷道首先出現圍巖大變形，5#測站附近的巷道滯后出現圍巖大變形，但最終研究區域內的頂底板幾乎全部閉合。

(2)依據巷道的破壞過程，可以將其劃分為3個階段。前2個階段，區段煤柱承受的載荷逐漸增大到最大值，在第3個階段，區段煤柱處于殘余強度階段，支承能力下降，變形嚴重，造成巷道區段煤柱側幫部大量煤體擠出，同時區段煤柱上部頂板下沉嚴重，巷道上部頂板呈傾斜狀。

(3)當20314工作面推進至超前6#測站30 m時，巷道水平方向收斂變形快速增加。當20314工作面推進至超前6#測站35 m時，巷道垂直方向收斂變形快速增加，最終導致巷道破壞。說明頂底板變形滯后于兩幫的收斂變形。